DE69420920T2

DE69420920T2 - Doppelstrahlantenne mit elektronischer Strahlablenkung

Info

Publication number: DE69420920T2
Application number: DE69420920T
Authority: DE
Inventors: Gerard Caille
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1993-08-23
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2014-08-19
Also published as: EP0640844A1; DE69420920D1; US5652597A; FR2709380B1; EP0640844B1; FR2709380A1

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aktivantennen mit elektronischer Strahlablenkung und betrifft insbesondere Antennen, die auf eine mobile Plattform geladen werden sollen. Die erfindungsgemäße Antenne wird in vorteilhafter Weise für das, von einem künstlichen Satelliten ausgestrahlte, Raumradar eingesetzt. Sie kann auch an Bord von Luftfahrzeugen und anderen Raumflugkörpern, die nahe der Erdoberfläche oder anderen Himmelskörpern (Planeten, Asteroiden, Kometen, interstellare Wolken, ... usw.) manövrieren, Anwendung finden.
Es ist bekannt, daß Satelliten, die in einer tiefen Erdumlaufbahn kreisen, für die Fernerkundung mittels Ultrahochfrequenzradar eingesetzt werden. Der Satellit in der tiefen Erdumlaufbahn verändert, anders als ein geostationärer Satellit, seine Lage bezüglich eines festen Punktes auf der Erdoberfläche. Diese Lageänderung ermöglicht es dem Beobachtungssatelliten, die Erde in einer, seiner Erdumlaufbahn entsprechenden Richtung, zu überfliegen. Die Radarmessungen, die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten entlang der Flugbahn des Satelliten erfolgen, ermöglichen es, eine Kartenzeichnung der gemessenen Parameter als Funktion der Lage des Satelliten oder anderer Raumflugkörper, die als Plattform für das Radar dienen, zu erstellen.
Es ist bekannt, ein Raumradar zur Messung der Niederschlagsrate oder anderer atmosphärischer Zusammensetzungen zu verwenden. Eine Radarwelle wird mit einer wohl definierten Polarisation ausgesandt und erleidet während der Übertragung eine Depolarisation, aber auch eine "Rückdiffusion"; die Messung des prozentualen Anteils der, durch das Radar detektierten, reflektierten Leistung, ermöglicht es, auf die Niederschlagsrate in dem, durch das Radar untersuchten Bereich, zurückzuschließen. Um eine Kartenzeichnung derartiger Messungen mit einer geeigneten räumlichen Auflösung zu erstellen, ist es wünschenswert, daß der emittierte Strahl extrem dünn ist, und z. B. eine Winkeldivergenz β in der Größenordnung von 0,18º bis 0,4º aufweist, um nur eine Stelle, relativ genau mit einer Reihe von Radarpulsen abzutasten. Andererseits, um den Erdball in einer vernünftigen Zeitspanne abzudecken, die zum Beispiel zur Zeitskala der meteorologischen Entwicklungen paßt, ist es wünschenswert, daß die Strahlkeule auf einem relativ wichtigen transversalen Winkel (bezüglich der Ebene der Erdumlaufbahn des Satelliten) in der Größe von ±10º bis ±20º verstellbar ist.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Satellit zur Radarfernerkundung ist schematisch in der Fig. 1 gezeigt.
In dieser Fig. 1 überfliegt ein Satellit 100 die Erde in einer Höhe H, der Größenordnung 400 bis 500 km, mit einer Geschwindigkeit Vsat, die von den geometrischen Parametern der Erdumlaufbahn abhängt. Der Satellit ist mit der für seinen Einsatz notwendigen Ausrüstung, wie dem Sonnensegel 110 und der Radarantenne 101, ausgestattet. In seiner einfachsten Anordnung bestrahlt ein Satellit zur Radarfernerkundung in einer, als "transversal" bezeichneten Bestrahlungsebene, die den Nadir enthält und senkrecht zur Geschwindigkeit Vsat steht, ein am Boden seines Weges liegendes, Feld F mit der Breite G. Dieses Feld F wird durch aufeinanderfolgende Pulse von Ultrahochfrequenzwellen bestrahlt, wobei deren Reflexionen, die durch die gleiche Antenne 101 in Aufnahmebereitschaft, empfangen werden, dann das Radarsignal ergeben, dem durch Interpretation die gewünschten atmosphärischen Daten entnommen werden. Um das Feld F zu beleuchten, wird ein feines Strahlbündel B in der transversalen Ebene durch Verwendung der elektronischen Strahlablenkung abgelenkt, um einen ungefähr rechteckigen Streifen, der Breite G und der Länge S (zur Richtung der Geschwindigkeit Vsat), am Boden zu bestrahlen. Das Bündel B einer Winkeldivergenz β, (die einen Durchmesser Φ am Boden ergibt), wird in einem Winkel φ zum Nadir ausgestrahlt, wobei der Winkel φ bei jedem Puls einen verschiedenen Wert annimmt, der aus einem Wertebereich stammt, dessen maximale Variationsbreite ±φM typischerweise in der Größenordnung von ±10º bis ±20º liegt. Bei der Lageänderung des Satelliten werden so die aufeinanderfolgenden Streifen (11, 12, 13, 14, 15, 16, ...) bestrahlt, um schließlich das ganze überstrichene Feld F abzudecken. Typische Werte für verschiedene Parameter für Fernerkundungseinsätze im Flug sind zum Beispiel:
Um die Ermittlung der Niederschlagsrate zu verbessern, erlauben es bekanntlich zwei aufeinanderfolgende Messungen am gleichen Ort, die zufälligen Einflüsse auf die Messung, die zum Beispiel durch atmosphärische Störungen, wie Gradienten oder Variationen der Luftdichte oder Lufttemperatur, auf dem Weg der Radarwelle verursacht werden, zu vermindern. Ebenso ist es in Betracht gezogen worden, zwei Radarmeßausrüstungen auf den Satelliten zu laden, um zwei Messungen am gleichen geographischen Ort ausführen zu können, wobei diese beiden Messungen durch eine kurze Zeitspanne getrennt sind. Außerdem ist es möglich, die Niederschlagsrate mit einer größerem Genauigkeit wiederzugeben, wenn man unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln (+α, dann -α) auf das gleiche Gebiet zielt. Eine derartige Einrichtung ist dem Fachmann unter dem Namen "Stereoradar", in Analogie zum binokularen Stereosehen, bekannt. Dies kann mit zwei gleichartigen Antennen erhalten werden, von denen eine, mit einem Winkel +α etwas vor den Nadir, und die andere, mit einem Winkel -α etwas hinter den Nadir, zielt. Ein typischer Wert für den Winkel α könnte in der Größenordnung von 15º bis 20º liegen. Zwei Streifen am Boden werden folglich durch zwei Strahlkeulen, BF bzw. BB, bestrahlt, wobei diese beiden Streifen durch einen Abstand D = 2 · H · tgα getrennt sind, worin H die augenblickliche Höhe des Satelliten gegenüber dem Boden ist. Folglich wird eine Stelle, die zum ersten Mal durch die vorauseilende Keule BF bestrahlt wurde, ein zweites Mal durch die nachfolgende Keule BB, nach einer Zeitspanne von t = D/Vsat bestrahlt. Ein Satellit, der eine derartige Nutzlast trägt und im Stand der Technik bekannt ist, wird im Profil sehr schematisch in der Fig. 2 gezeigt.
Wie in der vorhergehenden Figur, ist der Fernerkundungssatellit 100 mit seinem Sonnensegel 110 ausgestattet und bewegt sich entsprechend dem Vektor Vsat fort. Die Nutzlast dieses Stereoradar-Satelliten umfaßt zwei Radarantennen, von denen jede mit einem Reflektor (102, 103) ausgestattet ist, welcher mittels einer Quellenanordnung (98, 99), das die elektronische Strahlablenkung in der transversalen Ebene ermöglicht, angestrahlt wird. Die relative Geometrie zwischen den Quellen und den Reflektoren ist so ausgelegt, daß eine, in Richtung von Vsat, gegen den Nadir um den Winkel +α geneigte, vorauseilende Strahlkeule BF und eine, in Richtung von Vsat, gegen den Nadir um den Winkel -α geneigte, nachfolgende Strahlkeule BB ausgesandt wird. Die beiden Strahlkeulen können entweder gleichzeitig oder im Wechsel durch Umschaltung ausgesendet werden. Zwischen den ausgesandten Pulsen arbeitet die Vorrichtung im Empfangsbetrieb, um die reflektierten Radarwellen in der herkömmlichen Weise zu empfangen:
Bei der herkömmlichen Installierung eines, soeben beschriebenen, Stereoradar-Satelliten, ergeben sich mehrere Probleme. Einerseits kann ein Fernerkundungssatellit für andere Einsätze vorgesehen sein und eine andere Ausrüstung tragen, was ganz einfach zu einem Platzproblem an Bord des Satelliten führt: um den Einsatz als Stereoradar in der herkömmlichen Ausgestaltung zu erfüllen, ist es notwendig, daß die Vorderseite und die Rückseite des Satelliten für das Anbringen der Reflektoren (102, 103) verfügbar sind. Nun ist das allerdings nicht immer der Fall.
Andererseits hängt die aufeinanderfolgende Überlagerung der Abdrücke der beiden Strahlkeulen von der Genauigkeit der Lage und Ausrichtung der beiden Reflektoren, sowie auch von ihrer relativen Lage und Ausrichtung ab. Nun wird allerdings die Genauigkeit dieser Positionierungen durch die Komplexität der Antennen und insbesondere durch das Auseinanderklappen gefährdet.
Fig. 3 zeigt schematisch den gleichen Stereoradar-Satelliten zur Fernerkundung wie die Fig. 2, der aber in seiner Konfiguration für den Start vorliegt. Man sieht, daß die Reflektoren 102, 103 für den Abschuß zurückgeklappt sein müssen, um mit dem Satellitenrumpf 100 zum Beispiel unter die Raketenspitze der Trägerrakete Ariane oder in den Laderaum des amerikanischen Space-Shuttle eingesetzt werden zu können. Im einfachsten Fall sind die beiden Reflektoren 102, 103 am Rumpf 100 des Satelliten auf Höhe der Drehgelenke angelenkt, während sich jeder Reflektor (102, 103) aus einer Vielzahl von Segmenten (122, 123; 132, 133) zusammensetzt, die um die jeweiligen Gelenke (120, 130) herum miteinander verbunden sind.
In der Erdumlaufbahn ist das Auseinanderklappen solcher Strukturen nicht risikolos und daher gibt es in großer Zahl Satelliten, die für ihre Einsätze durch ein unwirksames Auseinanderklappen der lebenswichtigen Bauteile, wie Sonnensegel, Antennen usw., in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt sind. Aber sogar im Fall eines erfolgreichen Auseinanderklappens kann die relative Lage der verschiedenen, untereinander gelenkig verbundenen Teile nur eine, weder vorhersehbare, noch abgeschätzte, oder gesteuerte, relative Genauigkeit aufweisen, die zudem umso schlechter wird, wenn die Zahl der gelenkig verbundenen Bestandteile zunimmt. Andererseits kann die relative Lage dieser Elemente im Laufe der Zeit, zum Beispiel wegen der, mit der Lageänderung des Transportmittels durch die Sonnenbestrahlung ausgelösten, entfernungsabhängigen, thermischen Ausdehnung variieren. Schließlich wird die Masse und der Platzbedarf bei einer solchen Lösung für das herkömmliche Stereoradar bezüglich der Einkeulenausstattung der Fig. 1 verdoppelt.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, weshalb zu diesem Zweck eine Doppelstrahlantenne (BF, BB) mit elektronischer Strahlablenkung für das Stereoradar, die nur eine einzige Reflektorenstruktur aufweist, gezeigt wird. Gemäß einem bevorzugten Merkmal liegt die elektronische Strahlablenkung in einer Transersalebene, die beiden Strahlkeulen (BF, BB) sind dünn (Winkeldivergenz β in der Größenordnung von 0,18º bis 0,4º, für den Bodendurchmesser Φ), und der Bereich der Strahlablenkung in einer Transversalebene, sowie die Entfernung (2 α) in einer hierzu orthogonalen, longitudinal bezeichneten Ebene, sind in der Größenordnung des 50 bis 200 fachen der Winkeldivergenz (β) jeder Keule.
Nach einem wichtigen erfindungsgemäßen Merkmal umfaßt diese Reflektorenstruktur zwei Reflektorschalen, von denen wenigstens eine ein Gitterreflektor ist, wobei diese beiden Reflektoren gemeinsam so angeordnet sind, daß sie einen Doppelgitterreflektor bilden. Nach einem bevorzugten Merkmal sind die beiden Schalen durch Strukturelemente, das versteifende Abstandshalter sind, verbunden. Nach einem anderen bevorzugten Merkmal haben die beiden Reflektoren eine zylindrisch-parabolische Form. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Schnitt jedes zylindrisch-parabolischen Reflektors in einer zu seinen geradliniegen Mantellinien transversalen Ebene ein Parabelabschnitt, und diese beiden Parabelabschnitte sind "umgekehrt", d. h. daß der Scheitel jeder Parabel an einem der Enden des Abschnitts befindlich angeordnet ist, wobei sich der Parabelscheitel des ersten Reflektors an einem ersten Ende der Struktur, und der Parabelscheitel des zweiten Reflektors an einem zweiten Ende der Struktur des Doppelgitterreflektors befindet.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung sieht vor, daß ein erster Gitterreflektor eine erste Polarisation reflektiert, während er eine zweite, zur ersten Polarisation orthogonalen, Polarisation merklich ohne Absorption oder Reflexion durchtreten läßt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden die Reflektoren mit einer Mehrzahl von linearen Anordnungen aus Strahlungsquellen beleuchtet, deren Sendephasen gesteuert werden können, um eine elektronische Strahlablenkung in einer als transversal bezeichneten Ebene zu bewirken. Gemäß einer Variante werden die Anordnungen der Quellen bezüglich der jeweiligen Reflektoren mit einem "offset", d. h. außerhalb, des von diesen Reflektoren reflektierten, Strahlungsfeldes angeordnet.
Entsprechend einem Merkmal arbeitet die Antenne wie ein Pulsradar, alternativ in Emission und Empfang. Gemäß einer Variante arbeitet die erfindungsgemäße Antenne als Radiometer, d. h. nur zum Empfang.
Die erfindungsgemäße Doppelstrahlantenne hat, gegenüber der weiter oben beschriebenen, herkömmlichen Lösung, eine verminderte Masse und Platzbedarf. Ihre Montage auf einem Satelliten für den vielfachen Einsatz, sowie ihr Auseinanderklappen auf der Erdumlaufbahn werden damit sehr vereinfacht. Schließlich wird die Genauigkeit der relativen Positionierung der beiden Reflektoren merklich verbessert, was eine höhere Genauigkeit und eine höhere Verläßlichkeit, der mit der Ausrüstung durchgeführten Messungen zum Ergebnis hat.
In jedem Fall wird die Erfindung durch die folgende Beschreibung von einigen nichtbeschränkenden Ausführungsbeispielen noch besser verständlich und ihre Vorteile und Merkmale treten noch besser hervor, wobei auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen Bezug genommen wird:
- Fig. 1, bereits beschrieben, ist ein sehr vereinfachender Gesamtüberblick über ein Satelliten-Fernerkundungssystem mittels Einstrahlradar mit einer Antenne mit elektronischer Strahlablenkung im Stand der Technik;
- Fig. 2, bereits beschrieben, ist ein Übersichtsschema eines Satelliten für die Stereoradar- Fernerkundung mittels Satellit, immer noch im Stand der Technik;
- Fig. 3, bereits beschrieben, ist ein Übersichtsschema des Satelliten der Fig. 2 in der Startkonfiguration;
- Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Systems zur Stereoradar-Fernerkundung mittels Satelliten mit einer erfindungsgemäßen Doppelstrahlantenne mit elektronischer Strahlablenkung;
- Fig. 5 zeigt in der Perspektive eine schematische Ansicht einer Einstrahlantenne im "offset" zum zylindrisch-parabolischen Reflektor und mit elektronischer Strahlablenkung im Stand der Technik, so wie sie in einem System gemäß einer der Fig. 1 bis 3 benützt wird;
- Fig. 6 zeigt in der Perspektive eine schematische Ansicht einer zylindrisch-parabolischen Zweifachreflektorantenne mit erfindungsgemäßer elektronischer Strahlablenkung, wie sie in einem in der Fig. 4 gezeigten System verwendet wird;
- Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht der Antenne der Fig. 6;
- Fig. 8 zeigt in Vergrößerung einen Ausschnitt aus der Fig. 7.
In der verschiedenen Figuren beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Elemente. Der Maßstab der Zeichnungen ist aus Gründen der Klarheit nicht immer streng eingehalten. Die dargestellten Beispiele betreffen Antennen, die auf Satelliten zur Erdbeobachtung verladen werden, jedoch versteht es sich von selbst, daß die Erfindung gleichermaßen gleichartige Antennen betrifft, die auf andere mobile Plattformen, wie Luftfahrzeugen oder gänzlich anderen Raumflugkörpern, wie planetaren oder interplanetaren Sonden verladen werden.
Alle Beispiele, die in den Einzelheiten diskutiert werden, verwenden zur Veranschaulichung der Darstellungen eine Emissionsantenne, jedoch ist dem Fachmann das Umkehrtheorem wohlbekannt, nach dem eine Antenne unter der Voraussetzung der Umkehr des Zeitvektors in gleichartiger Weise zur Emission oder zum Empfang tauglich ist.
Die Beschreibungen und Bemerkungen, die betrefflich der Emissionsantennen gemacht werden, sind, unter der Voraussetzung der Umkehr des Energiestroms in der Vorrichtung, auf Empfangsantennen auch streng übertragbar.
Im Fall einer Radarantenne ist im allgemein die gleiche physikalische Vorrichtung bezeichnet, um die beiden Rollen der Emission und des Empfangs zu erfüllen; jedoch ist es notwendig für zwei Verstärkungsketten zu sorgen: eine Verstärkungskette, um die Leistungsverstärkung der Ultrahochfrequenzwellen zu liefern, und die andere Verstärkungskette, für eine rauscharme Verstärkung der relativ schwachen Radarsignale, die nach Reflexion der Welle am Radarziel empfangen wird. Die Behandlung der beiden Wege, Empfang und Emission, ist mit Ausnahme dieser Einzelheit vollkommen symmetrisch, und für die Klarheit der folgenden Beschreibung reicht es, nur den Emissionsweg zu beschreiben, wobei man weiß, daß die Umkehrung zum Empfang vom Fachmann hieraus eindeutig abgeleitet werden kann.
Im Falle eines Radiometrieeinsatzes ist nur eine Aufnahmeantenne mit ihrer rauscharmen Verstärkungskette notwendig. Die Struktur der Antenne selber bleibt zu jener einer Radarantenne identisch, wobei eine elektronische Verstärkung der Ultrahochfrequenzleistung um das Aussenden einer Ultrahochfrequenzwelle zu versorgen, nicht notwendig ist.
Die Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Stereoradar-Fernerkundungssystems mittels Satellit mit einer erfindungsgemäßen Doppelstrahlantenne mit elektronischer Strahlablenkung. Wie in der Fig. 1 überfliegt ein Fernerkundungssatellit (100) die Erde in einer Höhe H gemäß einer Richtung und Geschwindigkeit Vsat, die von den geometrischen Parametern der Erdumlaufbahn abhängt. Der Satellit ist mit der für seinen Einsatz notwendigen Ausrüstung, wie dem Sonnensegel (110) und der Radarantenne (104) ausgestattet. In der Konfiguration für das Stereoradar bestrahlt ein Satellit zur Radarfernerkundung, entweder gleichzeitig oder im Wechsel durch Vertauschen, zwei Streifen am Boden (C, C'), von denen jeder eine Breite G (senkrecht zur Geschwindigkeit Vsat) hat. Das am Boden überstrichene Feld F wird somit bei der Passage des Satelliten zweimal in Folge bestrahlt, nämlich ein erstes mal durch die voraus eilende Keule BF, und ein zweites mal duch die nachfolgende Keule BB.
Wie im Stand der Technik bekannt, wird dieses Feld F durch aufeinander folgende Pulse von Ultrahochfrequenzwellen bestrahlt, wobei deren Reflexionen das Radarsignal ergeben, welches durch die gleiche, zur Aufnahme bereite, Antenne (104) aufgenommen wird, um dann durch Interpretation die gewünschten atmosphärischen Gegebenheiten herauszuziehen.
Um das Feld F zu bestrahlen, verwendet das Stereoradar also zwei dünne Strahlbündel (BF, BB) mit schwacher Winkeldivergenz β, indem jedes Bündel in einer Transversalebene abgelenkt wird, welche jeweilig in einem Winkel ±α gegen die Transversalebene, die den Nadir enthält, geneigt ist, um zwei ungefähr rechteckige Streifen, von denen jeder eine Breite G und eine Länge 5 (in Richtung der Geschwindigkeit Vsat) aufweist, am Boden zu bestrahlen. Die Ausrichtung eines Bündels (BF, BB) mit dem (ungefähren) Durchmesser Φ am Boden, kann durch zwei Winkel genau festgelegt werden: ±α bezüglich des Nadirs, in einer als longitudinal bezeichneten Ebene, die den Nadir und den Vektor Vsat enthält; und ein Winkel φ zwischen den Keulen und der longitudinalen Ebene. Der Wert des Winkels α liegt in der Größenordnung von 15º bis 20º und ist durch die Konzeption des Satelliten festgelegt, während der Winkel φ bei jedem Puls einen verschiedenen Wert annimmt, der einem Wertebereich entnommen ist, dessen maximale Variationsbreite ±φM typischerweise in der Größenordnung von ±10º bis ±20º liegt. Die Winkeldivergenz der Strahlkeulen liegt wie im Stand der Technik typischerweise in der Größenordnung von 0,18º bis 0,4º (Breite bei -3 dB). Hieraus ergibt sich, daß in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Bereich der Strahlablenkung (±φM) jeder Strahlkeule in einer Transversalebene, sowie die Entfernung (2 α) zwischen den beiden Strahlkeulen in einer orthogonalen, longitudinal bezeichneten Ebene, in der Größenordnung des 50 bis 200-fachen der Winkeldivergenz (β) jeder Keule ist.
Fig. 5 zeigt in der Perspektive schematisch eine Einstrahlantenne im "offset" mit elektronischer Strahlablenkung und mit zylindrisch-parabolischem Reflektor im Stand der Technik, welche mit jeweils einer der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Radarantennen übereinstimmt. Die geradliniegen Mantellinien des zylindrisch-parabolischen Reflektors (102) sind senkrecht zum Vektor Vsat und parallel zur Transversalebene der elektronischen Strahlablenkung angeordnet. Der Querschnitt des Reflektors ergibt einen Parabelbogen, welcher eine Sehne a aufweist, die den Bogen unterspannt, wobei diese Sehne a die Hypothenuse eines rechtwinkligen Dreiecks ist, welches für die beiden anderen Seiten die Größen L in der Länge (entsprechend der Richtung von Vsat) und f in der Tiefe aufweist. Der Reflektor hat auch eine Breite W (entsprechend der Richtung der elektronischen Strahlablenkung).
Die Größen L, f des Reflektors sind entsprechend der erforderlichen Leistung der Antenne, sowie den Strahlkeulenparamtern, wie der sehr dünnen Winkeldivergenz β, gewählt. Die Größe W ist entsprechend der Länge 1 einer linearen Anordnung (98) von Strahlungsquellen (σ&sub1;, σ&sub2;, ... σν) und des maximalen Winkels u der elektronischen Strahlablenkung in der Transversalebene (±u jeder Seite einer Ebene, die den Nadir und Vsat enthält) gewählt. Die elektronische Strahlablenkung wird auf die klassische Weise erhalten, indem die Phasen der Quellen (σ&sub1;, σ&sub2;, ... σn) durchgespielt werden. Um die gewünschte schwache Divergenz β zu erhalten, muß die lineare Anordnung (98) etwa entsprechend der Fokallinie des zylindrischparabolischen Reflektors angeordnet sein. Um andererseits zu vermeiden, daß die Anordnung (98) der Quellen sich nicht in der Bahn, der durch den Reflektor (102) reflektierten Strahlkeule befindet, ist die Anordnung (98), bezüglich des Reflektors, etwas im Abstand O versetzt, im Fachjargon "offset" genannt.
Typische Größen, die Einsätzen, der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Satelliten entsprechen könnten, sind die folgenden:
Fig. 6 zeigt in der Perspektive eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen zylindrisch-parabolischen Antenne mit Doppelreflektor und elektronischer Strahlablenkung, so wie sie in einem System entsprechend der Fig. 4 eingesetzt wird. Die Geometrie dieser Antenne ist von jener, der in der Fig. 5 gezeigten Antenne, durch eine Teilung der Elemente abgeleitet. So sieht man lineare Anordnungen (88, 89) von elementaren Strahlungsquellen, und zwei zylindrisch-parabolische Reflektoren (114, 124). Diese Vorrichtung ist für das Abstrahlen von zwei dünnen, um den Winkel ±α vom Nadir abweichenden, Strahlkeulen konzipiert.
Die Größen sind jenen der Antenne der Fig. 5 ähnlich, und aus Gründen der Klarheit der Fig. 6, sind nicht alle dorthin übertragen worden. Man sieht zum Beispiel die gleiche Breite W des komplexen Reflektors (104), für die gleiche Länge 1 der linearen Anordnungen (88, 89) und den gleichen Maximalwinkel u der elektronischen Strahlablenkung in der Transversalebene (±u auf jeder Seite einer Ebene, die den Nadir und Vsat enthält). Die Geometrie des Offset ist bezüglich der Fig. 5 verändert worden, was aber klarer auf der folgenden Figur (Fig. 7) zu sehen ist.
Für ein gutes Funktionieren der Doppelstrahlantenne der Fig. 6 muß jeder Strahl unabhängig von dem anderen abgestrahlt und reflektiert werden. Hierzu benützt die erfindungsgemäße Antenne für die beiden Keulen orthogonale Polarisationen. Zum Beispiel setzt sich eine erste lineare Anordnung (89) aus einer Vielzahl von elementaren Quellen (σv1, σv2,... σvn) zusammen, die eine Strahlung Ev mit einer vertikalen Polarisation emittieren; während sich die zweite lineare Anordnung 88 aus einer Vielzahl von elementaren Quellen (σh1, σh2, ... σhn) zusammensetzt, die eine Strahlung Eh mit einer horizontalen Polarsation emittieren (parallel zu den geradliniegen Mantellinien des Reflektors 104). Selbstverständlich hätte man andere orthogonale Polarisationen nehmen können, als jene, die für dieses Beispiel gewählt wurden.
Jede lineare Anordnung muß in einer genauen geometrischen Beziehung mit ihrem eigenen Reflektor stehen. Außerdem wird die Strahlung Eh mit horizontaler Polarsation durch den Reflektor für die horizontale Polarisation 114 reflektiert, und die Strahlung Ev mit vertikaler Polarisation wird durch den Reflektor für die vertikale Polarisation 124 reflektiert. Weil in diesem Beispiel der Reflektor für die horizontale Polarisation 114 vor dem Reflektor für die vertikale Polarisation 124 ist, muß der Reflektor 114 für die Strahlung Ev mit vertikaler Polarisation durchsichtig sein. Dies kann erreicht werden, indem für den vorderen Reflektor 114 ein Gitterreflektor verwendet wird, dessen Bauweise und Eigenschaften dem Fachmann bekannt sind: ein Gitter aus parallelen Drähten reflektiert die Polarisation, die hierzu parallel ist, aber läßt die hierzu orthogonale Polarisation, welche durch den hinteren Reflektor 124 reflektiert wird, durchgehen.
Dieser Gitterreflektor 114 kann entsprechend den, dem Fachmann bekannten Techniken, durch Einprägung von elektrisch leitenden, parallelen Leiterbahnen auf eine Schale oder einen dielektrischen Träger, der die gewünschte zylindrisch-parabolische Gestalt aufweist, hergestellt werden. Das Dielektrikum wird entsprechend seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere seiner Durchlässigkeit für ultrahochfrequente elektromagnetische Strahlung ausgewählt. Antennen mit Zweifachgitterreflektoren sind für andere Anwendungen bekannt und die verschiedenen Techniken ihrer Herstellung sind gleichermaßen bekannt.
Der Reflektor 124, der hinter dem, auf die Polarisation selektiven Gitterreflektor 114 angeordnet ist, empfängt nur die vertikale Polarisation Ev, die allein fähig ist, durch das horizontale Gitter des Reflektors 114 hindurchzutreten. Für den hinteren Reflektor 124 ist es also nicht notwendig, daß er auf die Polarisation selektiv ist. Seine Herstellung ist am einfachsten: eine leitfähige Schicht, welche das gewünschte Profil aufweist. Um bei einer Minimalisierung des Gewichtes seiner Konstruktion die erforderliche zylindrisch-parabolische Form zu erhalten, kann dieser Reflektor auch durch Ablagerung einer metallischen Schicht auf einer Schale oder einem dielektrischen Träger, der die gewünschte Form aufweist, hergestellt werden.
In Anbetracht der Größen der Antenne, welche zu den in der vorigen Darstellung gezeigten, ähnlich sind, und in Anbetracht der im Vorspann erwähnten Probleme der Formstabilität, ist es wünschenswert, daß die Struktur des komplexen Reflektors 104 so steif wie möglich ist, um 'die, durch den Entwickler der Antenne vorgesehenen, geometrischen Beziehungen zu erhalten. In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Raum zwischen den beiden dielektrischen Schalen 114, 124 ausgenützt, um die Steifheit der gesamten Anordnung zu verstärken.
Dies kann mit Hilfe von Platzhaltern/Versteifern (gezeigt in Fig. 8) erfolgen, die Profilkeile sind, die zwischen die beiden Schalen eingefügt und mit Hilfe eines geeigneten Klebers oder eines ganz anderen Befestigungsmittels befestigt werden können. In einer anderen Ausführungsvariante, kann der Raum zwischen den beiden Schalen teilweise oder vollständig durch "Bienenwaben" gefüllt werden, deren Dicke so bearbeitet ist, daß sie sich den beiden Schalen auf deren ganzen Oberfläche bei Ausbildung eines Sandwich anschmiegen, oder die Bienenwaben werden von den beiden dielektrischen Schalen umgeben. Dies ist eine klassische Art für die Konstruktion von Strukturelementen, die ein gutes Verhältnis Steifheit/Gewicht aufweisen.
Die Elementarquellen (σv1, σv2,... σvn ; σh1, σh2,... σhn) sind die gewöhnlicherweise, in Anordnungen verwendete Quellen, wie Hörner oder auch Elemente mit eingeritzten Mikrostreifen, mit oder ohne Resonatoren. Die Wahl der Elementarquellen erfolgt durch den Antennenentwickler aus solchen, die ihm bekannt sind.
Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht in der Longitudinalebene (welche den Nadir und den Vektor Vsat enthält) der Antenne der Fig. 6, d. h. einer erfindungsgemäßen zylindrischparabolischen Doppelreflektorantenne mit elektronischer Strahlablenkung. In dieser Figur tritt in klarer Weise die geometrische Beziehung der verschiedenen, in der vorherigen Figur betroffenen Elemente, hervor. Der Schnitt erfolgt auf Höhe eines Quellenpaares (σvi, σhi), die jeweils im Brennpunkt (Fv, Fh) des entsprechenden zylindrisch-parabolischen Reflektors angeordnet sind (124 für die vertikale Polarisation; 114 für die horizontale).
Die "offset" Geometrie jedes Quellen/Reflektor-Paares ist in dieser Figur offensichtlich. In dieser vorteilhaften Geometrie, ergeben sich im Längsschnitt der beiden Reflektoren Parabelabschnitte, deren Scheitel (Sv, Sh) etwas außerhalb der Abschnitte liegen. Diese sind in "umgekehrter" Weise angeordnet, d. h. daß der Scheitel jeder Parabel an einem der Enden des Parabelabschnittes liegt, wobei der Parabelscheitel Sh der ersten Reflektors 114 an einem ersten Ende (im unteren Teil) der Struktur 104 liegt, und der Parabelscheitel Sv des zweiten Reflektors 124 an einem zweiten Ende (im oberen Teil) der Struktur des Doppelgitterreflektors liegt. Aufgrund der Tatsache, daß die Parabelscheitel jenseits des reflektierenden Teils jedes Reflektors liegen, befinden sich die Quellen (σvi, σhi) außerhalb ihrer jeweiligen reflektierten Strahlkeulen, wie es in der Figur gezeigt ist.
Die von jeder Quelle (σvi, σhi) emittierte Strahlung ist divergent, aber da sich jede Quelle im Brennpunkt ihres jeweiligen Reflektors befindet, bildet die Strahlung nach Reflexion eine genau parallele Strahlenkeule, welche es ermöglicht, die schwache Divergenz β der Keule zu erhalten, die für den Fernerkundungseinsatz mittels Raumradars gefordert ist, wie es im Vorspann dargestellt wurde.
Die Figur zeigt, daß mit der umgekehrten Anordnung der parabolischen Abschnitte, der Winkel 2α zwischen den beiden Strahlkeulen, mühelos zwischen den beiden Fokalachsen, die beide um +α und -α gegen den Nadir geneigt sind, für die Strahlkeule mit horizontaler Polarisation Eh, bzw. der anderen mit vertikaler Polarisation Ev, erhalten wird.
Der Längsschnitt dieser Fig. 7 liegt rechtwinklig zu den geradliniegen Mantellinien des erfindungsgemäßen zylindrisch-parabolischen Reflektors. Diese Reflektoren können außerdem durch Translation dieses Schnittes entsprechend den geradliniegen Mantellinien erzeugt werden, um die erfindungsgemäße zylindrisch-parabolische Doppelreflektorantenne zu erhalten.
Die am Ausführungsbeispiel, entsprechend den Fig. 4, 6 und 7, beschriebene Konstruktion zeigt die Leistungsfähigkeit und die Vorteile der Erfindung, nämlich: die Strahlkeulen können in der transversalen Richtung des gewünschten Winkels φ von Störeinflüssen bereinigt werden, indem den linearen Anordnungen 88, 89 ein linerarer Phasenverlauf auferlegt wird. In einer longitudinalen Ebene werden die Strahlkeulen durch Reflexion wie an einem Spiegel an den geradliniegen Mantellinien der einen oder anderen Schale (114, 124) mit einer schwachen Divergenz β gebildet, was eine gleichbleibende Qualität auf der ganzen Breite F der überstrichenen Fläche, unter der Bedingung, daß der Reflektor länger, als die Anordnung ist, um seine entstörte Strahlung abzufangen, sichert, so wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist.
Fig. 8 zeigt in Vergrößerung einen Ausschnitt eines kleinen Teils der Fig. 7 in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne.
In vorteilhafter Weise sind die beiden Reflektorschalen (114, 124) aus einer Konstruktion und von ähnlicher Größe. Jede Reflektorschale kann zum Beispiel aus zwei Außenhäuten (p) aus einem dielektrischen Material, z. B. aus KevlarTM hergestellt werden, die auf einen Abstandhalter (C&sub1;, C&sub2;) aus Bienenwaben (n), der aus dem gleichen Material hergestellt werden kann, geklebt sind.
Die Entkopplung zwischen den beiden Keulen wird dank den linearen, orthogonalen, z. B. horizontalen und vertikalen, Polarisationen gesichert. Auf der vorderen Schale 114 sind parallele Streifen (q) eingeprägt, die nur die, zu ihnen parallele Polarisation, reflektieren (horizontal in der Fig. 7). Die orthogonale Polarisation (vertikal in der Figur) durchquert dieses Gitter und wird durch die hintere, ohne Streifen leitfähige, Schale 124 reflektiert (oder eventuell mit vertikalen Streifen, obwohl dies nicht unerläßlich ist). Dies sichert, daß die, von jeder der beiden linearen Anordnungen 89, 88 entstandene Strahlung einzig durch die Schale reflektiert wird, für welche diese Anordnung entlang ihrer Fokallinie liegt.
Der Abstand (e) und die Breite (d) der Streifen (q) sind optimiert, um die Reflexionseigenschaften bei der Arbeitsfrequenz der Antenne entsprechend den, dem Fachmann bekannten Regeln zu verbessern. In vorteilhafter Weise sind die Streifen auf einer sehr dünnen dielektrischen Haut (p) eingeprägt Dies verursacht, verschuldet durch die Differenz in der Dielektrizitätskonstanten zwischen dem luftleeren Raum und der Haut, gezwungenermaßen Grenzschichteffekte.
Diese Fehlanpassung kann minimalisiert werden, indem zwei identische Streifengitter (q, o) auf jede der beiden Häute (p) der vorderen Schale 114 eingeprägt werden, wobei diese räumlich um C&sub1;, vorteilhaft um ein Viertel der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Antenne getrennt sind. Nach dem klassischen Prinzip bei Ultrahochfrequenzen überlagern sich die, durch die beiden Diskontinuitäten der Dielektrizitätskonstanten von jeder Seite, der, ein Viertel der Wellenlänge dicken, Schale 114, hervorgerufenen Reflexionen in gegensätzlicher Phase und löschen sich gegenseitig aus.
Die beiden Reflektorschalen (114, 124) sind um eine Distanz (P), die ungefähr zwischen 0 und 10 cm variiert, auseinander gerückt, denn die beiden erzeugenden Parabeln sind in der Struktur 104 umgekehrt. Die Struktur wird mit Hilfe von Abstandhaltern/Versteifern (R) einer bei beiden Reflektorschalen (zwei auf Bienenwaben n geklebte dielektrische Häute (p), was eine Gesamtdicke in der Größenordnung von einem oder zwei Zentimeter ergibt) ähnlichen Konstruktion versteift. Diese Abstandhalter/Verstärker R können, z. B. im Abstand Q der Größenordnung von 20 cm, wie Verstärkungsträger zwischen die beiden Schalen (114, 124) gesetzt werden.
Alles in allem hat der oben beschriebene Reflektor die gleichen äußeren Dimensionen, wie die äquivalente Einstrahlantenne, während er das Zustandekommen von zwei, um den Winkel 2α getrennte Keulen ermöglicht. Seine Masse ist unterhalb jener der in den Fig. 2 und 3 gezeigten beiden Einkeulen-Reflektoren nach dem Stand der Technik, und seine Formstabilität erlaubt es ihm, seinen Einsatz mit einer größeren Genauigkeit, als wie mit den Antennen aus dem Stand der Technik durchzuführen.

Claims

1. Doppelstrahlantenne (BF, BB) mit elektronischer Strahlablenkung für stereoskopisches Radar, die nur ein einzige Struktur (104) von Reflektoren (114, 124) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Keule (BF, BB) seine eigene Polarisation aufweist, wobei die beiden Polarisationen aufeinander senkrecht stehen.

2. Doppelstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Strahlablenkung in einer transversalen Ebene erfolgt, daß die beiden Keulen (BF, BB) dünn sind, z. B. entsprechend einer Winkeldivergenz b in der Größenordnung von 0,18º bis 0,4º, und daß der Bereich der Strahlablenkung (±φM) in einer transversalen Ebene, sowie der Abstand (2 α) in einer hierzu orthogonalen, sogenannten longitudinalen Ebene in der Größenordnung des 50 bis 200 fachen der Winkeldivergenz (β) jeder Keule liegen.

3. Doppelstrahlantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Reflektorenstruktur (104) aus zwei Reflektorschalen (114, 124) besteht, von denen wenigstens eine ein Gitterreflektor (114) ist, wobei diese beiden Reflektoren gegeneinander so angeordnet sind, daß sie einen Doppelgitterreflektor bilden.

4. Doppelstrahlantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalen (114, 124) durch Strukturelemente (R), welche Abstandhalter/Versteifer sind, verbunden werden.

5. Doppelstrahlantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoren 114, 124 eine zylindrisch-parabolische Form haben.

6. Doppelstrahlantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt jedes zylindrisch-parabolischen Reflektors (114, 124) in einer Ebene transversal zu seinen geradlinigen Mantellinien ein Parabelabschnitt ist, und daß diese beiden Parabelabschnitte in umgekehrter Weise angeordnet sind, wobei der Parabelscheitel Sh des ersten Reflektors (114) an einem ersten Ende der Struktur angeordnet ist, und der Parabelscheitel Sv des zweiten Reflektors (124) an einem zweiten Ende der Struktur (104) des Doppelgitterreflektors angeordnet ist.

7. Doppelstrahlantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Gitterreflektor (114) eine erste Polarisation (Eh) reflektiert, während er eine zweite, zur ersten orthogonalen, Polarisation (Ev) ohne Absorption oder Reflexion merklich hindurchtreten läßt.

8. Doppelstrahlantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Reflektoren (114, 124) von einer Mehrzahl von linearen Anordnungen (88, 89) von Strahlungsquellen (σv1, σv2,... σvn ; σh1, σh2,... σhn) angestrahlt werden, deren Emissionsphasen so gesteuert werden können, daß eine elektronische Strahlablenkung in einer transversal bezeichneten Ebene ausgeführt wird.

9. Doppelstrahlantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Quellenanordnungen (88, 89) im "offset" bezüglich der jeweiligen Reflektoren (114, 124), außerhalb des durch diese Reflektoren (114, 124) reflektierten Strahlungsfeldes, angeordnet sind.

10. Doppelstrahlantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Gitterreflektor (114) einen dielektrischen Träger (n) der gewünschten Form umfaßt, welcher zwei Seiten aufweist, auf die zwei dielektrische Häute (p) geklebt sind, und daß auf wenigstens einer dieser beiden Häute (p) elektrisch leitfähige, parallele Streifen (q) zur Ausbildung des genannten Gitters eingeprägt sind.

11. Doppelstrahlantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte dielektrische Träger (n) eine Dicke von einem Viertels der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Antenne aufweist, und daß parallele, elektrisch leitfähige Streifen (q, o) auf die beiden genannten dielektrischen Häute (p) geprägt sind.

12. Doppelstrahlantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antenne Mittel zur Phasenregelung und Verstärkung umfaßt, die es ihr ermöglichen, in einem Pulsradar alternativ in Emission und Aufnahme zu arbeiten.

13. Doppelstrahlantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antenne Mittel zur Phasenregelung und Verstärkung umfaßt, die es ihr ermöglichen, in einem Radiometer alternativ in Emission und Aufnahme zu arbeiten.